目录 讲座前言 编录者序 致谢 1.引言 2.光子:光的粒子 -39 3.电子和它们的相互作用一 85 4.松散的结尾 139
阿丽克斯·毛特纳对物理学很好奇,常常 要我给她讲解。我想这事我能应付得来,正如 在加州理工学院有群学生每星期四到我这里 来个小时讨论物理问题我能应付得来样, 可结果,我最感兴趣的这部分却没成功:我们 老是在讨论量子力学那些古怪的概念时给窘倒 了我告诉阿丽克斯,我不能只花个小时或 一个晚上把这些概念给她解释清楚—这需要 花很长时间,但我答应她,总有一天我会准备 系列的讲座来讲解这个课题。 我准备了几个讲座,然后去新西兰试试如 何—因为新西兰反正远得很,即使讲砸锅 了,也没甚么了不起。噢,新西兰人认为讲得 还不错’所以我猜这讲座还可以—至少对新 西兰是这样。现在我在这里讲的就是我确实为 阿丽克斯准备的讲座,但很遗憾,现在,我不 能直接讲给她听了 我愿意给大家谈的是物理学中已经为人所
知的部分,而不是未知的部分。人们总是要求我们讲解 统 把这个那个理论统起来这一类I作的最 新进展·而不给我们机会问他们讲解我们已经掌握得很 好的…个个理论。他们总是想了解我们尚不知道的东 西。所以,与其用些半生不熟、我们尚且·知半解的 理论把你们弄得晕头转间,还不如象我所愿意的那样给 你们讲讲个我们已经彻底掌握∫的课题。我喜欢物理 学的这个领域,而且认为它是绝妙的——那就是量子 电动力学。 我这几个讲座的目的是尽可能准确地描述关于光和 物质的奇妙理论——或者更明确地说,是关于光与电子 的相互作用。要讲完我想讲的所有内容,需要很长的时 间。好在我们分四次讲,我会好好利用这些时间,把所 有内容都弄清楚。 物理学在过往的历史中,尝试将众多现象综合为很 少几个理论。例如·在早期,人们观察到运动的现象和 热的现象;还有声、光和重力的现象。但在牛顿(Sir Isaac Newton,l642-1727)解释了运动的规律以后, 人们很快发现’这些过去看起来毫不相干的现象,其实 是同事物的侧面。例如,声音现象完全可以理解为空 气中原子的运动。所以声音就不再被看作是运动之外的 甚么事了。人们还发现,从运动规律出发,热现象也是 容易理解的。用这个方式,大堆物理学理论被综合成 个简明易懂的理论8不过万有引力理论除外,它不能 用运动规律来理解,甚至在今天它也还是与其他理论毫 作物集
无联系。迄令·历有引力不是借助其他现象所能理解 的 在把运动、声和热这几种现象综合起来之后,人们 乂发现∫我们称之为电现象和磁现象的几种现象。1873 年,这些现象同光和光学现象被麦克斯韦( James Clerk maxwell18311879)的个理论综合在起, 麦克斯韦提出光就是电磁波。所以在这个阶段,有运动 定律、电和磁的定律和万有引力定律。 1900年前后,·种解释物质到底是甚么的理论出现 ∫。它被称为物质的电f理论——-认为原子中有很小的 带电粒子。这个理论逐渐演化发展,认为原子中有…个 車核’并有电」绕它旋转 人们想借助力学炷律’就是说想仿照牛顿利用运动 定律探究出地球如何绕日运行的办法来理解电子绕核旋 转,这个努力是彻底失败∫:它做的所有预言都是错 的。(附带说·句,相对论大致也是在这段时间壁提出 来的,你们大家都把它理解成是物理学中的场革命 但与牛顿运动定律不能用于原子这个发现比起来,相对 论只是个小修正:。)建另个体系取代牛顿定律花费 了很长时间,因为原子水平上的现象是很奇怪的。要领 悟在原子水平上发生的事情,人们必须抛弃常识。最 后,在1926年,用来解释电子在物质中的“新型行为 的种“非常识性”理论建立起来了。这个理论看来好 象荒诞不经,但事实上当然绝非如此它就叫做量子力 学。“量子”这个词是指自然界那个违背常识的特别的
面°我准备和你们谈的,就是关于这面的问题。 量子力学的理论还解释了所有各类现象的细节,例 如为甚么个氧原子和两个氢原子合成水,等等。这 样·量子力学就也为化学提供了背景理论。所以说基础 的理论化学实际上就是物理学 量子力学由于能够解释物质所有的化学性质和其他 各种性质而获得极大的成功。但关于光和物质的相互作 用还是存在冋题。就是说必须将麦克斯韦的电和磁的理 论加以改造,使之与已经建立起来的新的量子力学相适 应。这样,在1929年,·种新的理论一一关于光和物质 相互作用的量子理论一终于由一些物理学家建立起来 ∫c它的名字倒是怪可怕的,叫做量子电动力学 但是这个理论曾有过让人头疼的麻烦。如果你粗略 地进行计算,这理论能给你相当合乎逻辑的结果。但要 是想进行更精确的计算·你会发现修正值(你原以为计 算越精确’修正值会越小吧!例如·系列的修正值中, 下个会比上一个小)事实上很大事实上竟然是无 穷大!原来’这个理论不允许你把任何个量计算得超 过一定的精度。 顺便说下,刚才我绐你们概括讲的那些,我把它 称为“物理学家的物理学史”,这种物理学史从来是不 正确的。我刚才给你们讲的是物理学家给他们的学生讲 的形式化的神话故事一类的东西,学生又把这些讲给他 们的学生。我刚才讲的这些不·定同真实的历史发展有 甚么联系,说真的,我并不大知道真实的历史过程到底